Parte 3

CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2004/5
Appunti & trasparenze - Parte 3
Versione 3, Ottobre 2004
Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - [email protected]
http://www.df.unipi.it/~fuso/dida
Materiali, dispositivi e problematiche nanotecnologiche per
l’immagazzinamento dati (RAM, ferroelettrici, memorie
magnetiche, memorie ottiche,…)
25/10/04 9.30+2 ITI L
28/10/04 9.3+1 ITI M
Fisica delle Nanotecnologie 2004/5 - ver. 3 - parte 3 - pag. 1
Introduzione alle problematiche
Il data storage è un elemento essenziale dell’information technology
Richiede la necessità di convertire in segnali elettrici i dati memorizzati con
qualche meccanismo, e di memorizzare dati con qualche meccanismo
usando segnali elettrici
Esempi “storici”: disco di vinile e testina piezoelettrica, schede perforate e
fotocellule
Sono coinvolti:
- meccanismi fondamentali per registrare i dati (meccanici, elettronici,
magnetici, ottici, etc.);
- materiali in grado di registrare dati in modo temporaneo (memoria
volatile) o su tempi lunghi (memoria non volatile);
- tecniche per scrittura/lettura;
- tecnologie per la produzione;
- nanotecnologie per la miniaturizzazione
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Esempi di metodi, dispositivi e materiali per data storage
Principali metodi attuali di immagazzinamento informazioni
Metodo
Fondamento
Esempi
elettronico
cariche contenute
in condensatore
RAM, ROM,
EEPROM,...
Tunneling, singolo elettrone,
Coulomb blockade,...
magnetico
magnetizzazione
domini ferrom.
Hard-disk
Modalità lettura,”meccanica”
superparamagnetismo
CD, CD-RW,
DVD, ...
Potenza per la lettura/scrittura,
diffrazione ottica,
campo ottico prossimo
ottico
Modifica riflettività/
assorbimento
locali
Problematiche
Grandi aspettative per ulteriore miniaturizzazione dei dispositivi
problematiche nanotecnologiche
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Esempio: miniaturizzazione delle memorie RAM
Random access memories (RAM), specie in versione “dinamica” (DRAM),
sono componente essenziale dei dispositivi per information technology
Importanti esigenze di
economia ed integrazione su
larghissima scala
nano
Enormi progressi
(secondo “legge di Moore”
e grosse aspettative future
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Cenni di funzionamento delle DRAM
DRAM =
MOS-FET +
condensatore
Da R. Waser Ed., Nanoelectronics and
information technology (Wiley-VCH,
2003)
Miniaturizzazione rende critici materiali e geometrie
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Problemi nella miniaturizzazione del film sottile isolante
Fenomeni di conduzione in
film sottili isolanti
ü Occorrono spessori sottili per avere capacità sufficiente pur con piccole superfici (C~S/h)
ü Riducendo lo spessore (typ. sotto i 5 nm) sorgono problemi di conduzione (con perdite di
carica) peggiorati da aumento difettosità
ü Occorrono materiali con alta εR per avere capacità più elevata
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Requisiti fondamentali per un buon materiale isolante
BST:
soluzione di titanato di
stronzio e titanato di bario
Ceramica con struttura perovskitica con
elevata costante dielettrica statica (circa
200) e ferroelettricità trascurabile
Può essere depositata con MO-CVD
(integrabile con altre tecnologie)
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Cenni sulle memorie flash (non-volatili)
Memorie Flash basate su
tunneling di elettroni (Fowler-Nordheim)
tra control gate e floating gate
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Alcune proposte nanotecnologiche
Immagazzinamento attraverso “intrappolamento” di cariche in dielettrici
See R. Compaño et al.
MEL-ARI EC Project
Technol. Rodmap 1999
Riduzione
carica
necessaria
per un bit
Fisica delle Nanotecnologie 2004/5 - ver. 3 - parte 3 - pag. 9
See R. Compaño et al.
MEL-ARI EC Project
Technol. Rodmap 1999
Esempi di memorie “alternative” (miniaturizzate e con poca carica)
2.2.1.2 Nano-flash device
Nano-flash devices are basically three terminal devices where a floating gate is charged and
the charge produces a large change in the threshold voltage of the transistor channel. The design
allows an intermediate between DRAM and Coulomb blockade potentially allowing higher density
than DRAM at lower power and higher operating temperatures.
In addition, nonvolatile Dram-like memories based on the Coulomb blockade effect are intensively
investigated. Both Hitachi’s PLED [Nakazato 1997] and Likharev’s NOVORAM being
[Likharev 1998] are prominent examples. The key issue is the creation of extremely flexible tunnel
barriers, for instance by multiple barriers or sandwiched barriers.
2.2.1.3 Yano memory
The Yano type memory is a 2 terminal device where information is stored in deep traps in
poly-Si. The devices are created on a 3 nm thick Si film using 0.25 µm technology where one or
more dots are formed naturally in the vicinity of a FET in which trapped charge modulates the
threshold voltage of the FET [Yano 1998]. The device can be operated at room temperature and has
been integrated in very large-scale memories (128 Mb in 8k x 8k x 2 units of which half was
operational) although it is not certain if Coulomb blockade is of any relevance for device operation.
One of the major problems of this type of memory is relying on the natural formation of dots and
the resulting poor control of device characteristics. This may be a major hurdle to manufacturability
[Yano 1998]. The advantage is a small cell size of 2F2, one quarter of a folded-data line DRAM
cell size.
Effetto di Coulomb-blockade sfruttato per
intrappolare pochi elettroni
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Limiti “teorici” nella miniaturizzazione
Limite “termico”
Limite “quantistico”
Limite “dissipativo”
See R. Compaño et al.
MEL-ARI EC Project
Technol. Rodmap 1999
Esistono condizioni “teoriche”
che impongono compromessi
operativi nella miniaturizzazione
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Memorie non-volatili con ferroelettrici
La ferroelettricità può
essere sfruttata per
immagazzinare info
anche in assenza di
campo applicato
E = V/d
film sottili!!
Stati di polarizzazione
“permanente”
- Sviluppo materiali ferroel.
- Sviluppo tecnologie di
preparazione strati sottili
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Ferroelettrici ceramici (es. PZT,…)
Ossidi (o miscele di ossidi)
ceramici con struttura
perovskitica
1µm
Polarizzazione dovuta a
spostamento delle cariche
(legami quasi-ionici)
See http://www.df.unipi.it/
gruppi/struttura/ma/page.htm
Analisi AFM/EFM (Voltage modulation
scanning probe microscopy) di domini
ferroelettrici in film di PLT (lead
lanthanum titanate) cresciuto per PLAD
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Ferroelettrici “molecolari” (es. TGS,…)
TriGlycine Sulfate (TGS)
Struttura monoclina
15µm
Glicina
Domini ferroelettrici in film di
TGS in funzione della temp.
(immagini EFM)
See http://www.df.unipi.it/
gruppi/struttura/ma/page.htm
H2 NCH2CO2H
See Adv Phys Lab, Univ Michigan (2002)
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Prospettive per le RAM ferroelettriche (FE-RAM)
Intenso studio negli anni ‘90
Difficoltà nella realizzazione dei
materiali
(film ferroelettrici e contatti conduttori)
Difficoltà di integrazione con altre
tecniche
Difficoltà nella durata (fatica del
materiale)
Ma grande interesse per non-volatilità
“completa”, velocità, impiego bassi
potenziali, possibilità scrittura ottica
(transizione di fase dipende dalla
temperatura), etc.
Proposta recente:
Film ferroelettrici “polimerici”
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Storage basato su campi magnetici
Lo stato di magnetizzazione della materia è un metodo molto efficiente per
immagazzinare informazione (dipoli magnetici paralleli o antiparalleli ad un
campo esterno)
Usata già dai primi calcolatori (nuclei di ferrite) e registratori a nastro
Alta non volatilità, posibilità di miniaturizzazione (vedi dopo!)
ma lettura-scrittura poco efficiente (servono campi magnetici indotti)
Attualmente: impiego principale in memorie di massa (dischi rigidi),
ma anche in memorie magnetoresistive (MRAM)
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Materiali nanostrutturati con magnetoresistenza colossale
Materiali magnetoresistivi: la resistenza elettrica dipende dal campo magnetico
Layered structures con alternanza di
strati magnetici e non-magnetici, oppure
dispersioni di singoli domini magnetici,
oppure sistemi misti
Magnetoresistenza dovuta a dipendenza
dello scattering elettronico (conduzione
diffusiva, alla Drude) da polarizzazione
magnetica delle nanoparticelle
Dispersioni di domini magnetici nanometrici
(dimensioni ~ λdB elettroni di conduzione)
esaltano magnetoresistenza
Poole, Owens, Introd. to nanotechnology
(wiley, 2003)
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Esempio di memorie RAM magnetiche
Lettura dello stato fatta tramite magnetoresistenza
Cambio dello stato fatto tramite campi magnetici
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Data storage negli hard disks (memorie di massa)
Informazione immagazzinata
nella magnetizzazione di
domini isolati
(grani magnetici - leghe
ferrose, oppure con NiCr, Co isolati in matrice amagnetica)
Miniaturizzazione = aumento
densità superficiale dei domini
longitudinale
nanodomini magnetici
perpendicolare
Thompson, Best, IBM J Res Dev (2000)
MFM
image
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Problemi “meccanici” nell’aumento di densità
Ottenere un rapporto S/N accettabile
richiede distanze nanometriche tra
superficie e testine (rugosità, coating!!)
Overcoat
requirements
•
•
•
•
•
•
•
Reduce corrosion
Reduce friction
Reduce stiction
Reduce wear
Magnetically inert
Thermal management
Electrical isolation
Material requirements
• Dense pinhole free film
• High hardness and E
modulus
• Eliminate surface
roughness
• Enhance surface
chemistry
lube
ta-C
Magnetic film
substrate
A.C. Ferrari,
Cambridge University
Scelta materiali e tecnologia
del coating (es., film sottili
di Carbonio amorfo) essenziale
per sviluppo dispositivi
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Materiali superparamagnetici I
I primi hard-disk (1950) erano simili ai
nastri magnetici, cioè spray coatings con
particelle di ossidi ferrosi
Attualmente sviluppo materiali
superparamagnetici (nanoparticelle di
materiali senza isteresi e con grande
magnetizzazione residua
10-15 nm
Poole, Owens, Introd. to nanotechnology
(wiley, 2003)
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Materiali superparamagnetici II
Metodi chimici “alternativi” per produrre
dispersioni di nanoparticelle magnetiche
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“Limite” superparamagnetico
Polarizzazione residua aumenta
con miniaturizzazione grano,
ma l’interazione cooperativa tra
domini diventa minore
“limite” superparamagnetico
Consider the simplest sort of permanent magnet particle. It is uniformly
magnetized and has an anisotropy that forces the magnetization to lie in
either direction along a preferred axis. The energy of the particle is
proportional to sin2, where is the angle that the magnetization makes to the
preferred axis of orientation. At absolute zero, the magnetization lies at one
of two energy minima ( equals 0 or 180°, logical zero or one). If the direction
of the magnetization is disturbed, it vibrates at a resonant frequency of a few
tens of gigahertz, but settles back to one of the energy minima as the
oscillation dies out. If the temperature is raised above absolute zero, the
magnetization direction fluctuates randomly at its resonant frequency with an
average energy of kT. The energy at any time varies according to well-known
statistics, and with each fluctuation will have a finite probability of
exceeding the energy barrier that exists at = ±90°. Thus, given the ratio of the
energy barrier to kT, and knowing the resonant frequency and the damping
factor (due to coupling with the physical environment), one can compute the
average time between random reversals. This is an extremely strong function
of particle size. A factor of 2 change in particle diameter can change the
reversal time from 100 years to 100 nanoseconds. For the former case, we
consider the particle to be stable. For the latter, it is a permanent magnet in
only a philosophic sense; macroscopically, we observe the assembly of
particles to have no magnetic remanence and a small permeability, even
though at any instant each particle is fully magnetized in some direction.
Densità “teorica” attuale
~ 25 Gb/cm2
Densità max effettiva
~ 5 Gb/cm2
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Teconologie magneto-ottiche
Effetto magneto-ottico sfrutta
polarizzazione della luce per la
lettura
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Data storage ottico (CD, CDRW, DVD,...)
Idea di base: superare limiti e difficoltà dei supporti magnetici (con economia!!)
Soprattutto: miniaturizzare testina di lettura (e, possibilmente, allontanarla dal
supporto
www.howstuffworks.com
CD-ROM originario: bit costituiti da “buchi” su film riflettente di Al evaporato su
strato di policarbonato (morbido)
Impressione: stampa superficiale sul policarbonato (no riscrivibile!)
Lettura: deflessione di un fascio laser
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Scrittura ottica (CD riscrivibili)
Uso di un photoresist (un colorante) per
assorbire localmente radiazione laser, provocare
riscaldamento, impressionare la superficie e modificare
localmente la riflettività
DVD e DVD-R:
maggiore densità
www.kodak.com
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Phase changing materials I
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Phase changing materials II
Esistono materiali con notevoli
differenze nelle proprietà ottiche in
funzione del loro stato
(cristallino/amorfo)
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Potenzialità attuali dell’optical storage e limiti
CD
780
λ (nm)
NA
0.45
Capacity (GB) 0.65
DVD
650
0.6
4.7
DVR
400
0.85
22
Density ( Gbit / inch 2)
A.C. Ferrari,
Cambridge University
ld,
r fie
n e a olution
s
n
er-re
nsio
sup
expa
n
i
a
dom
100
DVR 22 GB
10
Hard disk
DVD
CD
1
1995
2000
2005
2010
Year
Limiti principali:
- omogeneità dye layer (spin
coating, materiali defect-free)
- diffrazione ottica
campo ottico prossimo??
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“Fotopolimeri”
Materiali polimerici che possono essere “controllati” e “letti” con la luce
(e solo effetti ottici, non di forma o topografia) adatti per metodi olografici
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Polimeri contenenti azobenzene
Fisica delle Nanotecnologie 2004/5 - ver. 3 - parte 3 - pag. 31
La scheda perforata nanotecnologica: il “millipede”
AFM-tip
Nuove possibilità offerte dalle nanotecnologie
possono essere sfruttate per metodi alternativi
assolutamente nuovi ed originali
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